超前支承压力对断层活化影响的数值分析*

王 林，王卫军，黄 俊，张永青

(湖南科技大学能源与安全工程学院， 湖南湘潭市 411201)

超前支承压力对断层活化影响的数值分析*

王 林，王卫军，黄 俊，张永青

(湖南科技大学能源与安全工程学院， 湖南湘潭市 411201)

应用FLAC－3D对工作面前方的移动支承压力对断层活化的影响作用进行分析，研究结果表明:在断层上盘回采过程中，随工作面推进，断层周围的垂直应力和剪应力发生剧烈变化，在距离断层带45 m时，断层已完全活化;支承压力对断层上下盘岩体位移量也产生显著影响，且断层上盘的应力和位移变化量明显大于断层下盘应力和位移的变化量。

断层活化;超前支承压力;FLAC－3D;应力分布

矿井突水严重影响煤矿的安全生产，研究结果表明，79.5%的煤矿工作面顶底板突水事故与断层相关。由于煤层开采后，处于自然平衡状态的应力场将发生改变，原岩应力重新分布，而断层对工作面前方的应力分布产生极其显著的影响，破坏工作面的安全生产。当工作面的移动支承压力波及到断层影响带而发生断层“活化”时，容易引起突水等地质灾害。很多学者对断层“活化”的机理进行研究[1～3]，并且取得了丰硕的成果。但由于断层赋存的复杂性、断层产状的多变性以及煤层开采条件不同，断层“活化”机理呈现多样性。本文利用FLAC－3D对某矿工作面前方的支承压力对断层“活化”进行研究。

1 数值计算模型

本文利用FLAC－3D连续介质有限差分程序[5]进行计算分析。根据某矿的地质资料，建立的数值计算模型如图1所示，长、宽、高分别是250，100和200 m，其中断层的参数为法向刚度5.56GPa，切向刚度 5.56GPa，内摩擦角 15°，内聚力 1e3 Pa。其他岩层参数如表1所示。

采用摩尔—库伦准则进行运算，模型侧面限制水平移动，底面限制垂直移动，上部设置为自由面。开采深度为500 m，在模型上部边界的法向方向上施加10MPa的力。

模拟开挖前进行初始应力平衡，应力平衡后垂直应力分布见图2。由图2可知，在原岩应力状态下，受断层的影响，分布在断层周围的垂直应力变化幅度比较大，并且随着与断层带距离的加大，垂直应力的分布渐趋于平缓。产生这种现象的原因为:在地质构造作用后期，断层带周围的岩体的应力没有得到完全释放，使其积蓄大量的残余应力，因此导致处于断层带周围岩体的应力出现剧烈波动的现象。

图1 数值计算模型

表1 岩层参数

图2 原岩应力状态下垂直应力分布

工作面布置在断层上盘，开切眼位置如图1所示，逐步向断层附近推移。模拟开挖的过程中，为了能够了解工作面超前支承压力对断层带的影响，在工作面推进的过程中，对断层上、下盘邻近的单元体和节点进行应力和位移监测，监测的单元体1、2位置如图1所示。

2 结果与分析

在工作面的推进过程中，不同开挖步数的垂直应力分布如图3所示。由图3可知，开挖第1步时，断层带周围的应力分布同原岩应力状态时应力分布相同;当开挖第9步时，由于受工作面超前支承压力的影响，断层带周围呈现应力剧烈变化的现象，并且断层带附近的应力明显增大。随开挖步数的增加，应力变化逐步平缓，应力峰值远离断层带。

图3 不同开挖步数的垂直应力分布

由图4、图5可知，当工作面与断层距离较远时，随工作面推进，垂直应力基本相同，剪应力的变化幅度基本一致;随工作面向前推进，当开挖第9步时(工作面距离断层45 m)，断层上下盘的垂直应力呈降低的趋势，断层上下盘的剪应力随工作面推进呈增加趋势;当工作面距离断层带30 m左右时，剪应力逐渐减小;当距离接近10 m时，断层上盘的剪应力呈反向增加。在监测的断层上下盘单元体的应力变化过程中，断层上盘应力变化速度比断层下盘的应力变化速度要快。

图4 断层上下盘垂直应力变化

图5 断层上下盘剪应力变化

在断层上下盘的邻近位置取节点对水平方向(X)、垂直方向(Z)的位移进行监测，监测结果如图6、图7所示。

图6 断层节点X方向位移

图7 断层节点Z方向位移

由图6、图7可知，随工作面的推进，断层上盘节点的位移变化量明显比断层下盘节点的位移变化量要大;当开挖第9步(工作面距离断层45 m)时，X方向位移和Z方向位移变化量开始发生显著变化，随工作面推进，位移逐渐增加;当工作面当距离断层带30 m左右时，位移变化量均达到最大值;随工作面的继续推进，断层上下盘的位移量均逐渐减小。

对图3～图7进行分析，当工作面距离断层带很远时，工作面与断层带间的岩体未全部受到应力的影响，仍处于原岩应力状态;随工作面的推进，工作面超前支承压力开始扰动断层带附近的残余应力场，由于断层上、下盘岩体的力学差异性，应力及位移出现不同的变化规律，且断层带上、下盘的岩体在高应力的作用下发生破坏;在断层完全活化后，断层带周围的应力峰值降低，从而使应力变化规律与位移变化量又趋于一致。

因此，工作面前方的支承压力不仅对断层周围岩体的应力分布产生明显影响，而且对断层上下盘岩体的位移量也产生显著影响。

3 结论与展望

(1)工作面前方的移动支承压力扰动断层周围的应力分布。在断层上盘开采过程中，工作面距离断层带45 m左右的距离时，断层活化;断层活化过程中，断层上、下盘邻近岩体的应力和位移的变化量、变化率均表现为断层上盘明显大于断层下盘。

(2)若断层贯穿含水层，由于水化作用，断层带附近岩体的强度将降低。受工作面采动影响导致断层活化后，含水层内的承压水将通过断层沿着裂隙的扩展，当承压水达到工作面前方时，如果不采取加固措施(注浆等)，可能导致工作面突水事故的发生。

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湖南省科技厅重点资助项目(2009FJ2005).

2010－12－23)

王 林(1985－)，男，山东威海人，硕士研究生，主要从事巷道围岩控制研究，Email:wanglin850524@163.com。